Хрупкое и вязкое разрушение

Хрупкое и вязкое разрушение

• Хрупкие и вязкие трещины Заключительная стадия деформации материала, которая является стадией разрушения, рассматривалась как заключительная непосредственная стадия нагружения, которая не смогла остановить относительно недавнее разрушение, так как ранее считалось, что изделие не может быть использовано после появления трещины в материале. Теперь становится ясно, что стадия разрушения с момента повреждения составляет до 90% прочности конструкции

В связи с применением высокопрочных материалов и сложностью условий их работы, динамика аварий и аварий судов, мостов, танков, самолетов и других конструкций являются движущей силой для систематического изучения механики разрушения. Разрушение твердых тел — это процесс разделения на части под действием нагрузок, который также может сопровождаться тепловыми, радиационными, коррозионными и другими воздействиями. На атомном уровне разрушение —

это образование новых поверхностей и разрушение межатомных связей. Людмила Фирмаль

Если разрыв межатомной связи происходит перпендикулярно поверхности разрушения, то разрушение происходит путем сколов или отрыва. Если разрыв связи происходит под действием силы, приложенной параллельно поверхности разрыва, то разрыв происходит путем сдвига или скольжения. По металлу 51имет, где и, другие виды деструкции, она во многом определяется их кристаллической структурой. Кроме того, характер разрушения зависит от температуры, скорости деформации, напряженного состояния, чистоты металла и др.

В зависимости от степени пластической деформации перед разрушением различают два основных вида разрушения: хрупкое и вязкое. В случае жесткого металла он подвергается разрушению до разрушения не только упругой, но и большой пластической деформации. При отсутствии пластической деформации или при ее незначительном развитии происходит хрупкое разрушение. Хрупкое разрушение происходит путем разрыва или скола, когда поверхность разрушения перпендикулярна нормальному напряжению(рис. 2.4). Под действием нормального напряжения происходит упругая деформация кристаллической решетки, и после достижения критической степени деформации непрерывный разрыв межатомной связи отделяет одну атомную плоскость от другой.

• Концентрация напряжений K пропорциональна резкости дефекта и его длине: K=где I-длина дефекта. g-радиус кривизны его вершины. Концентрация напряжений способствует образованию как внутренних, так и внешних дефектов-разрезов различной остроты и длины(см. рис. 2.5). б ф ф ф Рис 2.4. Схема разрушения сепарацией: а-начальное состояние; б-упругая деформация; в-хрупкое разрушение(сепарация) Харрис 2.5. Концентрация напряжений в устье разлома: а-трещина; б-острые надрезы; в-закругленные надрезы; r\<yy<r3;С-Р-средний уровень давления В случае достаточно пластичных металлов, характеризующихся релаксацией напряжений, локальная концентрация напряжений в окрестности разрывов оказывается недостаточной, и возникновение сколов трещин не происходит.

Напряжение сдвига, при котором происходит вязкое разрушение. Поверхность скольжения расположена под углом 45°к направлению основного вертикального напряжения. Чисто сдвигово-вязкая трещиноватость характерна для аморфных материалов, таких как глина, а чисто хрупкая трещиноватость-для идеально эластичных материалов, таких как алмаз. Однако для большинства реальных материалов характерно как вязкое, так и хрупкое разрушение, а разделение на отдельные виды разрушения условно подразделяют на тот или иной вид.

Особенностями вязкого и хрупкого разрушения являются энергетическая прочность, размер работы разрушения, тип трещины и поверхность разрушения, а также скорость роста трещины. Людмила Фирмаль

При разрушении хрупких механизмов в процессе разрушения затрачивается гораздо меньше труда, чем при разрушении вязких. Хрупкое разрушение, которое началось, — это спонтанный процесс. Это происходит за счет высвобождения упругой энергии, накопленной в системе, и поэтому для распространения трещины не требуется внешнего энергоснабжения. При хрупком разрушении затраты энергии на образование новых поверхностей в результате раскрытия трещины меньше, чем накопленная упругая энергия, выделяемая одновременно. При вязком разрушении Морис 2.6. Тип разрушения и схема разрушения(перпендикулярно сечению к поверхности разрушения): а-хрупкое; Б-вязкое Больше работы будет потрачено.

Для развития вязких разрушений требуется непрерывное внешнее упрочнение, которое требует постоянного внешнего подвода энергии, которая расходуется на пластическую деформацию металла перед ростом трещин. В то же время работа, затраченная на пластическую деформацию, значительно превышает работу по фактическому разрушению. При хрупком разрушении отрывная трещина тела имеет малый угол раскрытия (острая трещина), пластическая деформация вблизи поверхности разрушения практически полностью отсутствует(рис. 2.6). При вязком разрушении трещина имеет большой угол раскрытия (тупая трещина), а поверхность разрушения характеризуется значительной пластической деформацией. При низких температурах граница зерен обычно прочнее самих зерен, и поэтому при низких температурах в большинстве металлов разрушение проходит через зерна, а не через границы между кристаллами.

При высоких температурах границы зерен слабее, чем у обычных зерен. Поэтому разрушение при высоких температурах обычно носит Межкристаллический характер(рис. 2.7). Микротрещина при хрупком разрушении имеет глянцевую гладкую поверхность. Плоская поверхность треснувших зерен придает металлический блеск хрупкому разрушению. В электронно-микроскопических наблюдениях»речной рисунок»или»ручеек» разрушает структуры за счет взаимодействия движущихся трещин с дефектами кристаллов, а также трещин при преимущественном вязком разрушении стружечной фасетки, имеющей матово-волокнистую особенность без свечения металла.

Электронная микроскопия выявляет характерную «Чашечную» структуру перелома. Хрупкое разрушение характеризуется высокой скоростью распространения трещин, достигающей скорости распространения около 0,4 звуковых волн в металле. Следовательно, скорость распространения хрупкой трещины для стали составляет 2 * 103 м / с. речь должна идти о будущем. По рассмотренным признакам можно определить особенности разрушения деталей или конструкции (вязких или хрупких механизмов). Необходимость подтверждения характера разрушения в каждом конкретном случае обусловлена тем, что меры борьбы с вязким и хрупким разрушением принципиально различны. В случае вязкого разрушения необходимо увеличить прочность материала.

При хрупком разрушении, наоборот, необходимо повышать вязкость и пластичность, даже если, по мере необходимости, прочность снижается. Самое опасное и хрупкое разрушение. Переломы с ампутацией можно разделить на три стадии: зарождение микротрещин, их рост до критических размеров и распространение через соседние частицы. Уровень напряжений разрушения определяется наиболее энергоемкой фазой. В относительно чистых металлах это является причиной возникновения и начального роста трещин. В металлах с включениями первые две стадии протекают относительно легко, но трещины сдерживаются границами зерен. Из-за этого в таких металлах часто наблюдается возникновение и торможение многих трещин вплоть до неустойчивого распространения любой из них. Существует несколько моделей дислокационных механизмов инициирования трещин(рис. 2.8). Согласно общей модели Зенера, краевые дислокации перемещаются вдоль поверхности скольжения к препятствиям, таким как границы зерен, двойники, границы раздела и т. д.

Если во время подхода этот»непрозрачный»барьер преодолеть не удается, образуется куча дислокаций, в это время происходит концентрация напряжений. В этом случае напряжение в локальной зоне может быть во много раз выше приложенного напряжения. После того, как напряжение превышает силу межатомного соединения материала, возникают микротрещины. Следующим этапом разрушения является рост зародышевых микротрещин до критического размера при достижении критического соотношения между рабочим напряжением и длиной трещины. Существует несколько моделей роста подкритических трещин. Трещины могут расти за счет того, что во время своего движения они поглощают микротрещины других дислокаций.

Росту трещины способствует взаимодействие поля напряжений на ее вершине. Таким образом, стадия образования микротрещин и их роста до критических размеров является результатом дислокационного движения, то есть пластической деформации металлов. Рис 2.8 модель дислокации микротрещин: а-модель соломы Зенера, б-модель котреля Я Сверхкритический размер трещины характеризуется концентрацией напряжений в ее устье, достигающей уровня прочности металла. Если трещина достигает критической длины, то ее дальнейшее распространение вызовет лавины без внешнего энергоснабжения без выраженной пластической деформации.

Смотрите также:

Методические указания по материаловедению

Факторы, определяющие характер разрушения	Свойства металлов и сплавов
Наклеп и рекристаллизация	Упругая и пластическая деформация